牙種植體共振頻率影響因素的三維有限元研究.pdf

1、研究背景：Brnemark教授于上世紀60年代中后期創(chuàng)立的骨結合理論在現代牙種植技術發(fā)展史上具有里程碑式意義，他給骨結合下的定義為：負載狀態(tài)下牙種植體表面與活的骨組織之間發(fā)生的結構上和功能上的直接連接，此概念有兩層含義，即一方面強調骨結合種植體與骨組織之間為直接的緊密連接，在光鏡水平下兩者之間沒有纖維組織的介入，另一層含義為即使在負載狀態(tài)下這種緊密連接仍能維持其長期穩(wěn)定性，而不會受到破壞。Brnemark教授在提出骨結合理論的同時，根據

2、其長期臨床實踐經驗制定出了一套嚴格的操作規(guī)范用于保證骨結合種植體的長期穩(wěn)定性，其中的一條操作規(guī)范就是延期負載，即種植體植入后，需經過3～6月的無負載愈合，種植體-骨界面實現骨結合才可進行上部修復體的連接；而過早負載會發(fā)生纖維性愈合，導致種植體松動、失敗。大量研究證實延期負載有利于種植體-骨界面的早期愈合，是提高種植體成功率的有效措施。然而，延期負載的缺點卻也非常突出：延期負載延長了療程，手術次數多，增加了醫(yī)患雙方的負擔。
　　隨著

3、牙種植技術的發(fā)展，人們逐漸對延期負載的必要性提出了質疑，牙種植體的即刻負載被嘗試性地用于臨床。即刻負載是指在種植體植入后立即進行上部結構修復的種植治療方法，與延期負載相比，此法療程明顯縮短，可為患者立即恢復美觀和咬合功能，受到了患者和醫(yī)生的歡迎，目前即刻負載已成為牙種植研究的重點和熱點。
　　目前認為初期穩(wěn)定性是決定即刻負載種植體成敗的關鍵因素，將種植體-骨界面微動控制在一定范圍，即刻負載種植體即可實現骨結合。而種植體初期穩(wěn)定性與

4、下列三方面因素密切相關：種植手術技巧、種植體相關因素和頜骨的質與量。在臨床實際操作中，即刻負載的成功卻在很大程度上取決于臨床醫(yī)師判斷測量種植體初期穩(wěn)定性的能力和連續(xù)監(jiān)測負載種植體穩(wěn)定性變化的能力。目前，常用的種植體穩(wěn)定性評價方法有：臨床捫診、植入扭矩法、旋出扭矩法、Periotest法和共振頻率法（RFA:Resonance frequency analysis）等。前四種方法存在明顯缺點，如：臨床捫診屬主觀測量法，不能定量，不同測量值

5、之間可比性差；植入扭矩和旋出扭矩法屬于定量測量，但是前者只能在植入種植體時測量，不能連續(xù)監(jiān)測種植體的穩(wěn)定性，后者因存在倫理禁忌，是不能用于臨床研究的；Periotest法屬定量測量方法，但是許多因素可干擾Periotest儀測量值的準確性，其測量重復性受到較多質疑。相反，共振頻率法被認為是目前相對理想的定量測量種植體穩(wěn)定性的方法，組織剛性（stiffness）和有效長度（effective length）被認為是影響種植體RFA值的兩個

6、因素，大量研究對這兩個因素的作用進行了深入研究，而很少有研究對其它可能影響種植體RFA值的因素進行過研究。目前種植領域對下列問題尚存在疑問：除組織剛性和有效長度外，還有沒有其它因素（如雙皮層植入、種植體尺寸和傳感器設計等）會影響RFA值？如果有，它們的作用到底如何？
　　目的：在本質上，種植體的共振頻率就是其固有頻率（NF:NaturalFrequency），而有限元軟件的一個基本功能就是可直接計算出給定結構的固有頻率。因此，本課

7、題擬建立牙種植體-局部骨塊三維有限元系列模型；該系列模型可用于種植體固有頻率分析，通過有限元軟件分析雙皮層植入、種植體尺寸（長度和直徑）和傳感器設計等參數對種植體共振頻率值的影響。闡明上述相關因素對牙種植體共振頻率值的影響，有助于正確解釋共振頻率值的含義，為共振頻率法在即刻負載領域的應用提供理論基礎。
　　方法：（1）建立實體模型：采用計算機建模法，即用三維繪圖軟件畫出螺紋型牙種植體、局部骨塊實體模型，模型為立體模型。（2）將實體

8、模型導入ANASYS有限元分析軟件，定義材料力學性能，建立有限元模型，其中的研究因素為：雙皮層植入、種植體尺寸（長度和直徑）和傳感器設計。雙皮層植入分為：下頜頰側穿皮層和上頜種植體根尖穿皮層兩類，其中下頜模型為磨牙區(qū)骨塊，通過將種植體逐漸向頰側密質骨板移動并實現接觸來模擬頰側雙皮層植入，上頜模型為包含上頜竇底的局部骨塊，通過增加種植體長度實現種植體根尖接近并接觸竇底密質骨板來模擬根尖穿皮層，兩類穿皮層模型中的骨質類型分為三類：D2、D3

9、和D4骨質類型；在進行上述兩類雙皮層研究中，改變種植體直徑（3.75mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm和5.5mm）和長度（10.0mm、11.0mm、12.0mm、13.0mm和13.5mm），研究尺寸變化對固有頻率值的影響；傳感器分為兩類：L型傳感器和鋁桿傳感器，L型傳感器為目前最為常用的傳感器類型，大體呈L外形，為鈦材質，使用時需要用螺絲固定于種植體上端，而鋁桿傳感器為最新一代傳感器，為鋁材設計，大體呈圓柱狀，其下方有小螺桿

10、設計，可直接擰入種植體上口。（3）有限元分析：在本質上，種植體一階彎曲振動模態(tài)（BM:BendingMode）下的固有頻率與RFA儀測量的共振頻率相同，因此本研究直接采用有限元軟件計算不同參數條件下種植體-骨塊復合體的一階固有頻率，包括一階BM值和一階垂直向振動模態(tài)（AM:AxialMode）下的固有頻率，前者反映的是種植體水平向穩(wěn)定性，后者反映的是種植體垂直向穩(wěn)定性。（4）對所得固有頻率值進行統計描述和分析，尋找其中的規(guī)律，總結得出相

11、應結論。
　　結果：（1）建立了種植體-下頜磨牙區(qū)骨塊三維有限元模型，種植體直徑分為5個等級，模擬了不同等級的頰側雙皮層植入，種植體位于骨塊中央設為對照。①0.5mm雙皮層接觸（種植體伸入密質骨內0.5mm）可增加種植體BM和AM固有頻率值10.5～42.3％（平均24.3％），從0mm（種植體表面剛剛接觸密質骨）至0.5mm雙皮層，種植體固有頻率值持續(xù)增加，從0.5mm至1.0mm雙皮層，種植體固有頻率值進入坪臺期或有輕微下降。

12、②在0.5mm和1.0mm雙皮層模型中，增加種植體直徑可引起頻率值小幅增加，增幅在2.9～7.3％之間；在對照模型和0mm雙皮層模型中，種植體固有頻率值隨直徑增加而有升有降，變化幅度較小，其中各模型組最大值與最小值相比的平均增幅為5.5％。（2）建立了種植體-上頜后牙區(qū)骨塊三維有限元模型，種植體長度和直徑分別為2個及5個等級，模擬了種植體根尖穿上頜竇底密質骨之雙皮層植入。①與10.0mm相比，11.0mm種植體的BM值有輕度增高，平均增

13、幅2.4％；然而，12.0mm、13.0mm和13.5mm種植體卻擁有顯著的BM增幅，在D2骨質模型中（13.0mm和13.5mm種植體穿竇底皮層），這3種長度的增幅范圍：29.0～30.1％，D3骨質時的增幅范圍（13.5mm種植體穿竇底皮層）：14.9～17.5％，D4骨質時（13.5mm種植體穿竇底皮層），13.0mm和13.5mm種植體的增幅范圍高達：83.0～86.7％，平均值85.0％，12.0mm種植體的增幅為22.6％（

14、3.75mm直徑）和16.2％（5.5mm直徑）。②大多數情況下，種植體直徑由3.75mm變?yōu)?.5mm會引起B(yǎng)M和AM頻率值的輕微下降，BM值的下降百分比平均8.6％，AM值的平均下降百分比為3.3％。（3）建立了種植體-傳感器-下頜后牙區(qū)局部骨塊（L型和鋁桿傳感器兩類）三維有限元模型。①L型傳感器模型種植體的BM值在3763～4464Hz之間（平均4235Hz），而鋁桿傳感器模型種植體的BM值在9192～10002Hz之間（平均97

15、08Hz）。②骨質由D4變?yōu)镈2時，L型傳感器模型種植體的BM值增加百分比在12.7～16.7％之間（平均14.9％），鋁桿傳感器種植體的BM值增加百分比在7.4～8.5％之間（平均7.9％）。③對于L型傳感器而言，長度增加BM值逐漸增加，14.0mm與8.0mm相比，BM值平均增幅為3.2％，對于鋁桿傳感器而言，D3骨質模型的頻率值隨長度增加而增加，在D4和D2骨質條件下，頻率值呈先升后降（變化幅度較?。?。④在D3骨質情況下，L型傳感

16、器測量值和鋁桿傳感器測量值之間存在線性相關，具有顯著性（Pearson相關系數r=0.996，P=0.004）；在D4骨質情況下，L型傳感器測量值和鋁桿傳感器測量值之間存在負相關關系，但是沒有統計意義（r=-0.846，P＞0.05）；在D2骨質情況下，兩組數值存在正相關關系，但同樣沒有統計意義（r=0.736，P＞0.05）。
　　結論：（1）頰側雙皮層植入可顯著增加種植體BM和AM固有頻率值，隨著雙皮層厚度的增加，固有頻率值會

17、隨之相應增加，然而當雙皮層厚度超過某個最有效值（位于0.5mm和1.0mm之間）后，再額外增加雙皮層厚度也不能引起固有頻率的明顯增加。在頰側雙皮層植入情況下，增加種植體直徑可引起固有頻率值有限的增加，其幅度遠低于雙皮層植入所增加的幅度。在對照模型和0mm雙皮層模型中，種植體固有頻率值隨直徑增加而有升有降，變化幅度較小。（2）種植體長度增加可增加種植體BM值，隨長度進一步增加，種植體根方逐漸接近上頜竇底密質骨板、穿入密質骨（實現雙皮層植入